DE19856951A1

DE19856951A1 - Sensoranordnung zur Erfassung mechanischer Größen an einem Bauelement

Info

Publication number: DE19856951A1
Application number: DE1998156951
Authority: DE
Inventors: Michael Hofsaess; Falk Herrmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-12-10
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 1999-10-21

Abstract

Es wird eine Sensoranordnung zur Erfassung von mechanischen Größen an einem Bauelement (1) unter Auswertung des Ausbreitungsverhaltens von akustischen Oberflächenwellen vorgeschlagen. Ein Meßelement (3) aus einem piezoelektrischen Einkristall ist an dem Bauelement (1), vorzugsweise zur Messung des einwirkenden Drucks, angebracht. Das Meßelement (3) ist mit Interdigitalwandlern (5) versehen, zur Erzeugung und zum Empfang der Oberflächenwellen, die von mechanischen Veränderungen am Bauelement (1) beeinflußbar sind, wobei zwischen den Interdigitalwandlern (5) eine Meßstrecke oder eine Oszillatorschaltung gebildet ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung mechanischer Größen an einem Bauelement, wie z. B. Druck, mechanische Spannung oder Drehmoment, und ein Messverfah ren nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es ist bekannt Sensoranordnungen mit sog. akustischen SAW- oder Oberflächenwellenbauelementen (SAW = Surface Acoustic Wave) als Sensoren für verschiedenste physikali sche Größen aufzubauen. Beispielsweise ist aus der Druck schrift "Development of SAW Pressure Sensor Using Stain less Steal Diaphrags", Yoshinori D. und Masakuni T., IEEE 1991, 1009/A13.1 bekannt, dass zur Messung von Drücken bis ca. 350 bar die Oberflächenwellen mittels einer ge sputterten Zinkoxydschicht auf einer Edelstahlmembran an geregt und mit einer elektronischen Schaltung ausgewertet werden. Problematisch sind hierbei die schlechten Tempe ratureigenschaften des Sensors und darüber hinaus berei tet das Herstellungsverfahren zur Abscheidung piezoelek trischer Zinkoxydschichten einen erheblichen technologi schen Aufwand. Ferner sind Probleme bei der Reproduzier barkeit der Schichteigenschaften, der Langzeitstabilität und der Medienbeständigkeit nicht auszuschließen.

Im Allgemeinen gewinnen insbesondere Hochdrucksensoren mit der Entwicklung von Hochdruckdruckdirekteinspritzsy stemen und fortgeschrittenen Bremssystemen, wie z. B. ABS, Bremsassistent usw. in der Kraftfahrzeugtechnik zunehmend an Bedeutung. Hier müssen Drücke bis zu 2000 Bar bei ei ner Auflösung von einem Bar gemessen werden, wobei die zu erfassende maximale Membranauslenkung eines Druckkörpers aus Sicherheitsgründen nur wenige Mikrometer betragen darf.

Vorteile der Erfindung

Die eingangs erwähnte gattungsgemäße Sensoranordnung zur Erfassung von mechanischen Eigenschaften an Bauelementen unter Auswertung des Ausbreitungsverhaltens von akusti schen Oberflächenwellen ist gemäß der Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs weitergebil det.

Erfindungsgemäß ist in vorteilhafter Weise ein Messele ment aus einem piezoelektrischen Einkristall an dem Bau element angebracht. Das Messelement ist mit Interdigital wandlern versehen, die zur Erzeugung und zum Empfang der Oberflächenwellen, die von mechanischen Veränderungen am Bauelement beeinflussbar sind, geeignet sind, wobei zwi schen den Interdigitalwandlern eine Messstrecke gebildet ist.

Die Erfindung basiert auf der Grundlage der eingangs er wähnten Erzeugung akustischer Oberflächenwellen, die mit Hilfe der Interdigitalwandler unter Ausnutzung der Piezo elektrizität geeigneter Einkristalle, wie z. B. Quarz, Lithiumtantalat, Lithiumniobat, Keramiken (PZT) oder po lykristalline Dünnschichten aus Zn0, PZT, ALN (Aluminiumnitrid) erzeugt werden. Für sich gesehen sind diese Interdigitalwandler aus dem Aufsatz "A study of Love-wave acoustic sensors", J.Du, G.L.Hardling, P.R.Ogilvy und M.Lake in der Fachzeitschrift Sensors and Actuators A56 (1996), Seiten 211 bis 219 bekannt. Die er forderlichen akustischen Wellenmoden werden hier mit den Interdigitalwandlern erzeugt und auch detektiert, so dass aus dem Ausbreitungsverhalten auf einer Ausbreitungs- oder Messstrecke das gewünschte Sensorsignal gewonnen werden kann.

Als Messaufbau können dabei in vorteilhafter Weise zwei in Form einer Verzögerungsleitung angeordnete Interdigi talwandler als frequenzbestimmendes Glied einer Oszilla torschaltung angewandt werden. Ferner können auch sog. Ein- oder Zweitor-SAW-Resonatoren verwendet werden.

Mit den erfindungsgemäßen Oberflächenwellensensoren kön nen auf einfache Weise mechanische Größen wie Druck, Spannung oder Drehmoment gemessen werden, indem die zu messende Größe gezielt zu einer Beeinflussung der elasti schen Konstanten des Substratwerkstoffes, auf dem die In terdigitalwandler angeordnet sind, und einer Längenände rung der Ausbreitungsstrecke genutzt wird. Meßeffekte sind dabei in der Regel eine Veränderung der Ausbrei tungsgeschwindigkeit und der Laufzeit der akustischen Welle, die als Frequenzänderung in der Oszillatorschal tung detektiert werden können. Vorteile dieses Meßprin zips sind insbesondere die außerordentlich hohe Meßemp findlichkeit, die gute Linearität der Messsignale und der einfache Aufbau eines Sensorelementes.

Das Bauelement, an dem gemessen werden soll, ist vorzugs weise ein Druckkörper, z. B. aus Edelstahl, an dem im Be reich des Messelements eine Messmembran zur Erfassung des auf den Druckkörper wirkenden Drucks gebildet ist. Neben dem Messelement kann in vorteilhafter Weise außerhalb des Bereichs der Messmembran ein im wesentlichen gleich auf gebautes Referenzelement zur Bildung einer Referenzstrec ke angeordnet sein.

Vorteilhaft ist es auch, wenn auf dem Bauelement direkt eine Auswerteelektronik mit entsprechend kurzen elektri schen Verbindungsleitungen zum Messelement und zum Refe renzelement angeordnet ist.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind das Messelement und das Referenzelement mit fernabfragefähi gen unterschiedlichen Codes versehen, wobei das Mess signal aus der Auswertung der Phasenlagen von an dem Mes selement und dem Referenzelement reflektierten hochfre quenten Pulsen einer in einem Abstand angeordneten Sende- und Empfangseinheit bestimmbar ist. Die Laufzeitänderung der Oberflächenwelle wird hier dadurch bestimmt, indem die Phasenlage der reflektierten Pulse im Vergleich zum Oszillator der Sende- und Empfangseinheit gemessen wird. Die Differenz von Sensor- und Referenzsignal ist hierbei das Maß für das Messsignal. In besonders vorteilhafter Weise eignet sich die erfindungsgemäße Sensoranordnung dadurch zur telemetrischen Abfrage des Messsignals, so dass ein Einsatz unter Bedingungen, die keine direkte elektrische Kontaktierung zulassen, möglich wird.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Messelement, dem Referenzelement und/oder der Auswer teelektronik eine Haftschicht aus einem geeigneten Mate rial angeordnet, wobei die Haftschicht aus Seal-Glas oder SiO2 bestehen kann. Möglich ist hier auch, dass die Haft schicht durch Diffusionslöten zwischen zwei Metallschich ten bzw. unter Verwendung von gesputterten oder aufge dampften lötfähigen Metallschichten gebildet werden kann.

Bei einem vorteilhaften Messverfahren kann mit einer er sten Oszillatorschaltung, die das Messelement an einer Messstrecke aufweist, eine erste Oszillatorfrequenz f₁ erzeugt werden. Mit einer zweiten Oszillatorschaltung, die das Referenzelement an einer Referenzstrecke auf weist, wird eine zweite Oszillatorfrequenz f₂ erzeugt und aus der Mischfrequenz Δf der beiden Oszillatorfrequenzen f₁ und f₂ kann somit das Messsignal ermittelt werden. Das Messelement und das Referenzelement dienen somit als fre quenzbestimmende Glieder zweier Oszillatoren, deren nie derfrequente Mischfrequenz ein direktes Maß für das Mess signal darstellt.

Mit dem erfindungsgemäßen Sensorelement kann somit eine einfacher und kostengünstiger Aufbau bei hoher Messemp findlichkeit und mechanischer Robustheit erreicht werden. Es steht ein quasidigitales, mit hoher Auflösung auswert bares Frequenzsignal als Messsignal zur Verfügung, das weitgehend unempfindlich gegenüber äußeren elektromag netischen Störungen ist und die Möglichkeit der Fernab frage eröffnet. Weitere Vorteile sind eine niedrige Tem peraturquerempfindlichkeit und Drift sowie ein einfacher und störunanfälliger Aufbau bei geringen Herstellungsko sten durch eine Reduzierung der Komplexität und Bauteile zahl.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen, ein schließlich der rückbezogenen Unteransprüche, auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Sensoranord nung unter Benutzung von akustischen Oberflächenwellen werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Hochdruck- Sensoranordnung mit einer hybriden Oszillatorschal tung auf einer Messmembran;

Fig. 2 eine Abwandlung der Ausführungsform nach der Fig. 1 mit einer Fernabfrage zur Auswertung des Messsignals und

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild des Messaufbaus.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Aus Fig. 1 ist ein Druckkörper 1 als zu messendes Bau element zu entnehmen, an dem eine Messmembran 2 gebildet ist, die aufgrund des hier zu detektierenden Drucks P ei ne mechanische Deformation erfährt, die mit einem auf der Messmembran angebrachten Oberflächenwellen-Messelement 3 detektiert wird. Zwischen dem Messelement 3 und der Mem bran 2 ist eine Haftschicht 4, beispielsweise aus nied rigschmelzendem Seal-Glas oder SiO2. Möglich ist auch das Löten oder Diffusionslöten unter Verwendung von gesput terten oder aufgedampften lötfähigen Metallschichten auf der Oberfläche des Druckkörpers 1 und der Unterseite des Messelements 3 und das Kleben.

Hauptbestandteil der vorgeschlagenen Sensoranordnung ist das Messelement 3 aus einem piezoelektrischen Einkri stall, vorzugsweise aus Quarz, Lithiumtantalat oder Lithiumniobat), das mit Hilfe geeigneter Technologien, z. B. mittels der Haftschicht 4, auf der Oberfläche der in dem (Edelstahl-)Druckkörper 1 ausgebildeten Messmembran 2 aufgebracht wird. Auf dem Messelement 2 befindet sich ei ne Anordnung aus Interdigitalwandlern 5, mit denen, in der in der Beschreibungseinleitung erwähnten Weise, die Anregung und Detektion der akustischen Oberflächenwellen durchgeführt wird.

Zur Kompensation von Querempfindlichkeiten, wie z. B. der Temperatur und der Drift ist neben dem Messelement 3 auf der Membran 2 ein Referenzelement 6 angeordnet. Bei die sem ersten Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 können sowohl das Messelement 3 als auch das Referenzelement 6 mit den Interdigitalwandlern 5 in Form einer Verzöge rungsleitung bzw. eines Oberflächenwellenresonators aus gebildet sein.

Weiterhin ist der Fig. 1 zu entnehmen, das eine zugehö rige Auswerteelektronik 7, gegebenenfalls in Form einer Oszillatorschaltung, ebenfalls auf dem Druckkörper 1 an geordnet ist. Die hier erforderlichen elektrischen Ver bindungen 8 sind hochfrequenzführende Signalleitungen und können vorteilhaft sehr kurz ausgeführt werden.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 werden das Messelement 3 und das Referenzelement 6 fernabfrage fähig ausgeführt, in dem sie mit Codemarken versehen sind, die zur Unterscheidung unterschiedlich codiert sind. Die elektrischen Verbindungen 8 und die Auswer teelektronik 7 nach der Fig. 1 können hierbei entfallen.

Beispielsweise ergibt sich hier die Möglichkeit eine Messsignal durch eine Auswertung zeitversetzter Impulse zu erhalten. Hierzu wird von einer Hochfrequenz-Sende- und Empfangseinheit 10 ein elektromagnetischer Impuls ausgesendet, der von einer Antenne empfangen wird, die mit einem der Interdigitalwandler 5 verbunden ist. Unter Ausnutzung des eingangs beschriebenen piezoelektrischen Effektes am Messelement 3 wird die Pulsenergie im Inter digitalwandler 5 in eine akustische Oberflächenwelle um gewandelt, die sich auf der Sensoroberfläche ausbreitet und an räumlich verteilten, codierten Reflektoren reflek tiert wird.

Die reflektierten Signale werden im Interdigitalwandler 5 rückgewandelt und als Pulsfolge an die Sende- und Emp fangseinheit 10 abgestrahlt. Die Laufzeitänderung der Oberflächenwelle in Abhängigkeit der Ausbreitungsbedin gungen, wie z. B. mechanische Spannungen, Temperatur, kann als Meßgröße genutzt werden. Durch Verwendung unter schiedlich codierter Reflektoren ist außerdem eine Unter scheidung mehrerer Sensoranordnungen möglich. Typische Reichweiten dieser Fernabfrage liegen zwischen einigen Zentimetern und mehreren Metern.

In Fig. 3 ist ein prinzipielles Ausführungsbeispiel ei nes Schaltungsaufbaus zur Gewinnung des Messsignals mit zwei Oszillatorschaltungen 20 und 21 dargestellt. Die Os zillatorfrequenz f₁ der Schaltung 20 für die Messstrecke am Messelement 3 mit den Interdigitalwandlern 5 wird mit der Oszillatorfrequenz f₂ der Oszillatorschaltung 21 der Referenzstrecke des Referenzelements 6 in einem Mischer 22 gemischt, wobei die Mischfrequenz Δf am Ausgang eines nachgeschalteten Tiefpasses 23 in guter Näherung ein Maß für das zu messende Signal, hier der auf die Messmembran 2 wirkende Druck, ist.

Claims

1. Sensoranordnung zur Erfassung von mechanischen Größen an einem Bauelement (1) unter Auswertung des Ausbrei tungsverhaltens von akustischen Oberflächenwellen, da durch gekennzeichnet, dass ein Messelement (3) aus einem piezoelektrischen Einkri stall an dem Bauelement (1) angebracht ist, das mit In terdigitalwandlern (5) versehen ist zur Erzeugung und zum Empfang der Oberflächenwellen, die von mechanischen Ver änderungen am Bauelement (1) beeinflussbar sind, wobei zwischen den Interdigitalwandlern (5) eine Messstrecke gebildet ist.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass das Bauelement ein Druckkörper (1) ist, an dem im Be reich des Messelements (3) eine Messmembran (2) zur Er fassung des auf den Druckkörper (1) wirkenden Drucks ge bildet ist.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, dass neben dem Messelement (3) außerhalb des Bereichs der Messmembran (2) ein im wesentlichen gleich aufgebautes Referenzelement (6) zur Bildung einer Referenzstrecke an geordnet ist.

4. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Bauelement (1) eine Auswerteelektronik (7) mit elektrischen Verbindungsleitungen (8) zum Messelement (3) und zum Referenzelement (6) angeordnet ist.

5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, dass das Messelement (3) und das Referenzelement (6) mit fernabfragefähigen unterschiedlichen Codes versehen sind, wobei das Messsignal aus der Auswertung der Phasenlagen von an dem Messelement (3) und dem Referenzelement (6) reflektierten hochfrequenten Pulsen einer in einem Ab stand angeordneten Sende- und Empfangseinheit (10) be stimmbar ist.

6. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Messelement (3), dem Referenzelement (6) und/oder der Auswerteelektronik (7) eine Haftschicht (4) angeordnet ist.

7. Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, dass die Haftschicht (4) aus Seal-Glas oder SiO2 besteht.

8. Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, dass die Haftschicht (4) durch Diffusionslöten zwischen zwei Metallschichten bzw. unter Verwendung von gesputterten oder aufgedampften lötfähigen Metallschichten gebildet ist.

9. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung in einem Kraftfahrzeug zur Bestim mung des Druck an mechanischen Bauelementen eingesetzt wird.

10. Messverfahren zur Gewinnung eines Messsignals unter Verwendung der Sensoranordnung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
mit einer ersten Oszillatorschaltung (20) , die ein Mes selement (3) an einer Messstrecke aufweist, eine erste Oszillatorfrequenz f₁ erzeugt wird,
mit einer zweiten Oszillatorschaltung (21), die ein Re ferenzelement (6) an einer Referenzstrecke aufweist, eine zweite Oszillatorfrequenz f₂ erzeugt wird und dass
aus der Mischfrequenz Af der beiden Oszillatorfrequen zen f₁ und f₂ das Messsignal ermittelt wird.